CC BY
21
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.673-677 УДК 535.015, 538.913
СТАТИСТИЧЕСКОЕ ВЫДЕЛЕНИЕ СЛОЕВ ФОТОИНДУЦИРОВАННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА, ВОЗБУЖДЕННОГО В КРИСТАЛЛАХ LiNbO3 : Zn
Д. В. Мануковская
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
Аннотация
Фотоиндуцированное рассеяние света (ФИРС) в фоторефрактивном кристалле ниобата лития (LiNbO3) является источником информации о процессах, происходящих при взаимодействии кристалла и лазерного излучения. В частности, анализ фрактальной размерности картин ФИРС позволит выявить перераспределение лазерно-индуцированных дефектов в процессе облучения. Однако такая задача возможна при корректном выделении слоев картин ФИРС для последующего изучения. Приводится статистическое обоснование выделения 6 слоев из картин фотоиндуцированного и кругового рассеяния света, возбужденных в монокристаллах ниобата лития, легированных цинком в малых концентрациях LiNbO3 : Zn (0,018-2,05 мас. % ZnO). Ключевые слова:
ниобат лития, фотоиндуцированное рассеяние света, статистический анализ.
STATISTICAL SEPARATION OF PHOTOINDUCED LIGHT SCATTERING LAYERS EXCITED IN LiNbO3 : Zn CRYSTALS
D. V. Manukovskaya
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
Abstract
Photoinduced light scattering (PILS) in photorefractive lithium niobate (LiNbO3) crystal is an important source of data on processes taking place at an interaction between the laser radiation and the crystal. Analysis of fractal dimension of PILS patterns can reveal redistribution of laser-induced defects during laser radiation. Thus, such problem can be solved if PILS layers are correctly separated for the further study. This paper provides a statistical justification for separation of 6 layers in photoinduced and round light scattering patterns excited in a lithium niobate singe crystals doped by low concentrations of zinc LiNbO3 : Zn (0,018-2,05 wt. % ZnO).
Keywords:
lithium niobate, photoinduced light scattering, statistical analysis. Введение
Фоторефрактивный кристалл ниобата лития (LiNbO3) активно используется в качестве преобразователей, модуляторов лазерного излучения, а также как оптические затворы в оптоэлектронике, акустоэлектронике. Монокристаллический LiNbO3 перспективен и как нелинейная лазерная среда [1]. При освещении фоторефрактивного кристалла LiNbO3 видимым лазерным излучением перпендикулярно оптической оси Z в лазерном треке и области вокруг него вследствие эффекта фоторефракции возникают лазерно-индуцированные дефекты с измененным показателем преломления. Рассеянный на этих дефектах свет формирует картину фотоиндуцированного рассеяния света (ФИРС) и является мешающим фактором для использования, так как сильно деформирует фронт проходящей волны [1]. В кристаллах LiNbO3, в которых наблюдается подавление эффекта фоторефракции, в частности в номинально чистых конгруэнтных, ФИРС не раскрывается, а возникает только круговое рассеяние света. Картина ФИРС является многослойной спекл-структурой, ее динамика меняется во времени: происходит раскрытие индикатрисы ФИРС [2, 3]. Характерное время раскрытия в кристаллах c низким эффектом фоторефракции составляет 1-60 с. Картина ФИРС несет в себе информацию о перераспределении лазерно-индуцированных дефектов между слоями и перекачке энергии как между обыкновенным и необыкновенными лучами, так и между центром и периферией картины. В частности, динамика изменения фрактальной размерности слоев ФИРС позволила определить разные механизмы проводимости в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава, выращенных по различным методикам [4], а для кристаллов, легированных цинком в малых количествах (LiNbO3 : Zn 0,018-0,88 мас. %), позволила выявить
концентрацию цинка, для которой степень дефектности кристалла приближалась к степени дефектности стехиометрического кристалла [5].
Однако фрактальная размерность может быть достоверно посчитана только для двумерных черно-белых изображений, тогда как картина ФИРС кристаллов ниобата лития является монохромной (зеленый и черный), но сложной для такого анализа. Вследствие этого требуется выявить алгоритм выделения слоев ФИРС для их последующего фрактального анализа.
В данной работе картины ФИРС кристаллов LiNbÜ3 : Zn 0,018-0,88 мас. % и картина кругового рассеяния света кристалла LiNbO3 : Zn 2,05 мас. % были проанализированы с точки зрения распределения количества пикселей с определенным уровнем освещенности, чтобы выявить закономерности и определить области с одинаковой динамикой изменения количества пикселей. Монокристаллы LiNbO3 : Zn отличаются низкими эффектом фоторефракции и величиной коэрцитивного поля и перспективны как оптические материалы для преобразования когерентного и широкополосного излучений [1].
Методика эксперимента
Кристаллы ниобата лития конгруэнтного состава, легированные цинком по методу прямого легирования, выращены по единой технологии методом Чохральского из конгруэнтного расплава. Подробно методика роста кристаллов, легирование цинком и приготовление шихты описаны в [6]. Кристаллические образцы имели форму прямоугольных параллелепипедов размерами 7 х 6 х 4 мм с ребрами, совпадающими по направлению с кристаллофизическими осями X, Y, Z, где Z — полярная ось кристалла. Грани параллелепипедов тщательно полировались. ФИРС и круговое рассеяние света возбуждалось излучением лазера "MLL-100" на Y:Al-гранате (Х0 = 530 нм, Р = 110 мВт). Лазерный луч направлен вдоль оси Y, а вектор напряженности Е электрического поля лазерного излучения параллелен полярной оси Z кристалла. В такой геометрии рассеяния эффект фоторефракции наиболее ярко выражен [7]. Рассеянное кристаллом излучение падало на полупрозрачный экран, размещенный за кристаллом, и регистрировалось цифровой фотокамерой на заданной секунде облучения. Результатом были изображения (фотографии) картин ФИРС и кругового рассеяния света в формате .jpg. При такой схеме эксперимента спекл-картина на полупрозрачном экране является суперпозицией спекл-структуры собственно ФИРС и спекл-структуры когерентного излучения, рассеянного на других оптических элементах установки (например, крае выходного зеркала лазера). Однако интенсивность ФИРС в фоторефрактивном кристалле LiNbO3 существенно больше интенсивности рассеянного когерентного излучения, поэтому его вкладом в общий результат можно пренебречь. Каждый кадр полученной спекл-картины ФИРС и кругового рассеяния света в программе GIMP 2.6.12 переводился в режим оттенков серого. Таким образом мы избегали изменений, вносимых при сжатии цифровой информации и добивались достоверной картины распределения освещенности каждого пикселя. Далее программа Image Pro Plus 6.0 считала количество пикселей данного уровня освещенности, эквивалентного определенному оттенку серого (всего 256 оттенков). Таким образом, строилась количественная зависимость пикселей данного уровня освещенности I (оттенка серого), где 0 соответствовало отсутствие освещенности (полностью черный пиксель), а 255 — полное освещение (белый пиксель). Так как абсолютные значения количества пикселей каждого оттенка серого сильно зависят от размера и формы ФИРС для каждого кристалла, то результат был нормирован на 1, где наибольшее значение в каждом графике было принято за 1.
Результаты и обсуждение
На рисунке 1 представлены нормированные зависимости на 240 с облучения для кристаллов LiNbO3 : Zn (0,018-2,05 мас. %). Все зависимости имеют шесть областей, на которых характер поведения кривой похож для разных кристаллов ниобата лития. Стоит отметить, что для кристалла LiNbO3 : Zn 2,05 мас. % при данной мощности возбуждающего излучения не наблюдается раскрытия ФИРС и появляется только круговое рассеяние света. Однако график зависимости уровней освещенности четко показывает, что на нем присутствуют те же области, что характерны для картин ФИРС других исследованных кристаллов. Рисунок 2, а демонстрирует, каким областям картины ФИРС и кругового рассеяния света соответствуют области на рис. 1. Для наглядности была выбрана картина ФИРС кристалла LiNbO3 : Zn 0,52 мас. %, так как индикатриса рассеяния раскрывается для этой концентрации цинка в кристалле ниобата лития наиболее полно (рис. 2).
Область освещенности 5 соответствует неосвещенному краю картин фотоиндуцированного и кругового рассеяния света кристаллов LiNbO3 : Zn (0,018-2,05 мас. %) — рис. 1, 2. Пиксели этой области изображений имеют наименее темные оттенки серого, так как хуже всего освещены, им соответствуют значения I = 0-40 (рис. 1). В этой области на рис. 1 для всех исследованных кристаллов наблюдается очень интенсивный максимум сложного строения. Таким образом, наибольшее количество пикселей на изображении занимает неосвещенный край, который не несет в себе информации о процессах, происходящих в ФИРС.
Область освещенности 4 на рис. 1 занимает уровни освещенности, соответствующие оттенкам серого I = 41-80. На всех кривых распределения количества пикселей по оттенкам присутствует один небольшой максимум. Этот уровень освещенности располагается на изображении ФИРС на границе неосвещенного края и непосредственно ФИРС. Он возникает из-за того, что третий слой ФИРС освещает некоторую область кристалла вокруг себя, но в этой области уже недостаточно энергии для возбуждения фотоиндуцированных дефектов.
Поэтому при анализе фрактальной размерности этот слой не рассматривается. Показательно, что в круговом рассеянии света в этой области также располагается максимум, однако он имеет другую форму.
N 5
I
О 1-■—-■--■-—■-■--■-—1
О 32 64 96 128 160 192 224 256
I. уровни освещенности
Рис. 1. Нормированные на единицу зависимости количества пикселей определенного уровня освещенности I картин ФИРС кристаллов П№Оз : (0,018-0,88 мас. %)
и картины кругового рассеяния света кристалла ЫЫЪОз : (2,05 мас. %). Хо = 530 нм, Р = 110 мВт
Область освещенности 3 на рис. 1 располагается в районе оттенков серого со значениями I = 81-120. Как и для уровня освещенности 4, для каждого кристалла, в котором раскрывается ФИРС, в области освещенности 3 наблюдается один небольшой максимум. При этом на картине кругового рассеяния света в кристалле Ы№О3 : 2и 2,05 мас. % на этих значениях раскрывается большой и плавный максимум, границы которого совпадают с границами области освещенности 3. На картинах ФИРС области освещенности 3 соответствуют третьему слою ФИРС, рассеяние в котором осуществляется на флуктуирующих дефектах с измененным показателем преломления (рис. 2).
Область освещенности 2 на рис. 1 занимает большее количество оттенков серого I = 121-190, чем две предыдущие области. Для разных концентраций цинка в этой области раскрывается два или три небольших плавных максимума. Для картины кругового рассеяния света в кристалле Ы№О3 : 2и 2,05 мас. % наблюдается только один максимум, более крутой, чем для картин ФИРС остальных исследованных кристаллов. Эта область освещенности соответствует второму слою ФИРС (рис. 2), рассеяние в котором осуществляется на статических лазерно-индуцированных дефектах с измененным показателем преломления.
Область освещенности 1" во всех исследованных кристаллах представляет собой протяженное плато (I = 191-250), на котором зависимость количества пикселей от их оттенка не претерпевает значительных изменений (рис. 1). Строит отметить, что, несмотря на большое количество оттенков серого, на самой картине эта область (рис. 2) занимает достаточно маленькое пространство. Этот уровень освещенности соответствует первому слою непосредственно рассеянного излучения в картине ФИРС.
Область освещенности 1' на рис. 1 занимает небольшой отрезок наиболее светлых, а значит, наиболее освещенных пикселей: I = 251-255. Несмотря на то что количество оттенков в этом уровне освещенности достаточно маленькое, площадь, занимаемая этим уровнем на изображении картины ФИРС, достаточно велика
(рис. 2). Этот уровень освещенности соответствует пятну выхода на внешнюю грань кристалла непосредственно лазерного луча, чья мощность не рассеялась полностью за толщину кристалла (в этой геометрии эксперимента
4-5 мм).
Рис. 2. Картины кругового рассеяния света кристалла Ы№Оз : 2п (2,05 мас. %) и ФИРС кристалла Ы№Оз : 2п (0,52 мас. %): а — изображения в оттенках серого, красным выделены области, соответствующие слоям на рис. 1; б — разделенные на шесть уровней освещенности для последующего фрактального анализа изображения, синим выделены области соответствующего слоя. Х0 = 530 нм, Р = 110 мВт, t = 240 с
На рисунке 2, б показаны уровни освещенности, выделенные по методике в [4, 5] для последующего фрактального анализа. Видно, что уровни освещенности, которые соответствуют различной динамике распределения оттенков серого на картинах фотоиндуцированного и кругового рассеяния света (рис. 1, а), достаточно хорошо совпадают с уровнями, которые подвергались фрактальному анализу. Таким образом, подтверждается наличие 6 областей освещенности на картинах ФИРС. Кроме того, рис. 1 и 2 хорошо показывают, что картины кругового рассеяния света разделяются на те же области освещенности. Их границы совпадают с границами для ФИРС, несмотря на то что динамика распределения оттенков серого кругового рассеяния немного отличается от динамики, наблюдающейся для ФИРС.
Выводы
На картинах ФИРС кристаллов П№Оз : 2п (0,018-0,88 мас. %) было выявлено 6 областей освещенности, в которых динамика зависимости количества пикселей от их уровня освещенности (оттенка серого) совпадает для разных кристаллов. Выявлено, что эта динамика для фотоиндуцированного и кругового рассеяния, которое возбуждается в кристалле Ы№О3 : 2п (2,05 мас. %), совпадает, и в круговом рассеянии света присутствуют такие же области освещенности.
Литература
1. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны / Н.В. Сидоров и др. М.: Наука, 2003. 256 с.
2. Сидоров Н. В., Палатников М. Н., Калинников В. Т. Микроструктурные дефекты и проявление эффекта фоторефракции в сегнетоэлектрическом монокристалле ниобата лития // ДАН. 2011. Т. 441, № 2. С. 209-213.
3. Проявление двулучепреломления в кристалле ниобата лития в фоторефрактивном и комбинационном рассеянии света / Н. В. Сидоров и др. // ДАН. 2014. Т. 459, № 1. С. 58-61. D01:10.7868/S0869565214310156.
4. Сидоров Н. В., Мануковская Д. В., Палатников М. Н. Фрактальный анализ картин фотоиндуцированного рассеяния света в стехиометрических кристаллах LiNbO3 // Опт. спектр. 2015. Т. 118, № 6. С. 108-117. D0I:10.7868/S0030403415060197.
5. Исследование лазерно-индуцированных дефектов в кристаллах LiNb03 : Zn методом фрактального анализа / Н. В. Сидоров и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2016. Т. 80, № 11. С. 1589-1592.
6. Калинников В. Т., Палатников М. Н., Сидоров Н. В. Ниобат и танталат лития: фундаментальные аспекты технологии / под ред. В. Т.Калинникова. Апатиты: КНЦ РАН, 2005. 108 с.
7. Максименко В. А., Сюй А. В., Карпец Ю. М. Фотоиндуцированные процессы в кристаллах ниобата лития. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 96 с.
Сведения об авторе
Мануковская Диана Владимировна
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия manukovskaya@chemy.kolasc. net.ru
Manukovskaya Diana Vladimirovna
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia manukovskaya@chemy.kolasc. net.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.677-681 УДК 666.112.6
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СТЕКОЛ И СВОЙСТВА СИТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ ЦИНКАЛЮМОБОРАТНЫХ ФТОРСОДЕРЖАЩИХ СИСТЕМ
Г. Г. Манукян, Е. В. Кумкумаджян, Л. А. Гаспарян, А. Б. Матевосян, Н. Б. Князян
Институт общей и неорганической химии НАН РА, г. Ереван, Армения Аннотация
Исследованы диаграммы плавкости и стеклообразования систем ZnB2O4 — AhO3 — LiF и ZnB2O4 — AlF3 — PbF2, процесс кристаллизации стекол, расположенных в полях кристаллизации четырехкомпонентных оксифторидов. Выявлено, что первичной кристаллической фазой литийсодержащих стекол является Li3Zn5[(AhB5O13)2F3], а при дальнейшей термообработке выделяется ZnAhB2O7. В продуктах кристаллизации свинцовоборатных стекол помимо боратов обнаружено выделение PbF2, Pb2OF2 Pb2ZnF6. Показано, что при направленной кристаллизации стекол, содержащих 35-40 мол. % PbF2, с дальнейшим вышелачиванием их в растворе плавиковой кислоты можно получить фторустойчивые пористые ситаллы. Показано, что при совместном присутствии фторборатов в структуре закристаллизованного стекла в качестве основных фаз можно получить ситаллы с температурным коэффициентом линейного расширения, равным (25-45)-10-7 K-1 для электронной техники. Ключевые слова:
стекло, температура ликвидуса, температура стеклования, кристаллизация, ситалл.
THE STUDY OF THE PROCESS OF CRYSTALLIZATION OF GLASSES AND THE PROPERTIES OF GLASS-CERAMICS BASED ON ZINC-ALUMINUM BORON FLUORINE-CONTAINING SYSTEMS
G. G. Manukyan, E. V. Kumkumajyan, L. A. Gasparyan, A. B. Matevosyan, N. B. Knyazyan
Institute of General and Inorganic Chemistry of NAS of RA, Yerevan, Armenia Abstract
We have studied the melting and glass formation diagrams of the ZnB2O4 — AhO3 — LiF and ZnB2O4 — AlF3 — PbF2 systems, the crystallization of glasses located in the crystallization fields of four-component oxyfluorides. It was found that the primary crystalline phase of lithium-containing glasses is Li3Zn5[(Al2B5O13)2F3], and ZnAhB2O7 is released upon further heat treatment. In addition to borates,
